추력 2톤급 축소형 칼로리미터 개발

Abstract

고성능 로켓엔진 연소기의 벽면 열유속 측정을 위하여 추력 2톤급 칼로리미터를 개발하였으며 고온에서 전열특성과 강도특성이 뛰어난 크롬동합금을 연소실 내벽 소재로 적용하였다. 전체적인 냉각성능은 경험식을 기반으로 하는 1차원 해석으로 확인하였으며 국부적인 냉각성능은 3차원 CFD 해석으로 검증하였다. 연소압 53 bar 조건에서 노즐목에서의 열유속은 43 <TEX>$MW/m^{2}$</TEX> 으로 예측되었다. 연소실의 구조적인 안전성은 150 bar에서 2차원 해석과 시편에 대한 변형실험으로 확인하였다. 최종적으로 상온 150 bar에 대한 가압실험으로 안전성을 검증하였고 개발된 칼로리미터와 동일한 냉각성능을 갖는 시험용 노즐을 사용하여 예비시험을 수행하였다. 노즐목에서 측정된 열유속이 설계값에 비하여 10% 높았음에도 연소실 내벽에 열손상은 발생하지 않았다. A calorimeter of 2-ton thrust level rocket engine chamber has been developed to measure the wall heat flux. The liner of the chamber is made of copper-chromium alloy to maximize the heat transfer performance and structural strength. 1-D design code based on empirical correlations has been used for the prediction of the global thermal characteristics while 3-D CFD has been applied for the verification of local cooling performance. The predicted average wall heat flux at the throat is 43 <TEX>$MW/m^{2}$</TEX> for the combustion chamber pressure of 53 bar. The chamber structure is confirmed to be safe at the pressure of 150 bar through 2-D stress analysis and measurement of the strain of the test species. Finally, the test of pressurizing the calorimeter chamber has been performed with water at the pressure of 150 bar in room temperature environment. No thermal damage has been detected after the hot-fire test in the test nozzle of same cooling performance with the developed calorimeter though the measured throat heat flux is higher than the design value by 10%.